基于主元分析得分重构差分的故障检测策略

基于主元分析(PCA)的统计过程控制方法通常假设数据的生成过程是独立同分布的.当数据存在多模态结构或过程变量非线性相关时, PCA方法的故障检测性能将受到影响.针对上述问题,本文提出一种基于PCA得分重构差分的故障检测策略.首先,应用PCA将输入空间分解为主元子空间和残差子空间;接下来,应用k近邻(k NN)规则重构当前样本得分向量并计算样本的得分重构差分向量;最后,计算得分重构差分向量的统计值并进行故障检测.本文方法不仅可以降低数据多模态和变量非线性相关等特征对过程故障检测的影响,同时可以降低统计量的自相关性、提高过程故障检测率.将本文方法在两个模拟例子和田纳西–伊斯曼(TE)过程中进行测试,并与PCA、核主元分析(KPCA)、动态主元分析(DPCA)和k最近邻故障检测(FD–k NN)方法进行对比分析,测试结果证明了本文方法的有效性.     

传感器饱和的非线性网络化系统模糊\begin{document}$H_{\infty}$\end{document}滤波

研究了基于T-S模糊模型描述的非线性网络化系统$H_{\infty}$滤波器设计问题.由于网络诱导时滞的存在, 使得一个采样周期内, 到达接收端的数据可能是一个或多个, 也可能没有任何数据.提出传感器冗余策略解决由于饱和而引起的传感器件失效的问题.为降低结果的保守性, 选择模糊规则依赖的Lyapunov函数对滤波误差系统进行稳定性分析, 给出使滤波误差系统均方渐近稳定且具有指定$H_{\infty}$性能的充分条件, 滤波器参数通过求解一组线性矩阵不等式(Linear matrix inequalities, LMIs)得到.仿真研究结果表明算法的有效性.     

基于独立元的k近邻故障检测策略

k近邻故障检测(fault detection based on k nearest neighbors,FD–k NN)方法能够提高具有非线性和多模态特征过程的故障检测率.由于系统故障通常由潜隐变量异常变化引起,而该类型故障并不能被观测数据直观表现,因此直接在观测变量上执行FD–k NN方法,其故障检测率降低.本文旨在提高FD–k NN方法针对潜隐变量故障的检测能力,提出基于独立元的k近邻故障检测方法.首先,通过对观测数据应用独立元分析(independent component analysis,ICA)方法,获得独立元矩阵;接下来在独立元矩阵中应用FD–k NN方法进行故障检测.这等同于直接监控过程潜隐变量的变化,可以提高过程故障检测率.通过非线性实例仿真实验,证明本文方法检测潜隐变量故障是有效的;同时,在半导体蚀刻工艺过程的仿真实验中,与主元分析(principal component analysis,PCA)方法、核主元分析(kernel principal component analysis,KPCA)方法、基于主元分析的k近邻故障检测(principal component–based k nearest neighbor rule for fault detection,PC–k NN)方法和FD–k NN方法进行对比,实验结果进一步验证了本文方法的有效性.     

基于标准距离k近邻的多模态过程故障检测策略

工业产品的生产经常需要在不同模态间切换,多模态过程数据具有多中心和方差差异大等特点.针对多模态过程数据的特征,通过构造标准距离,提出了基于标准距离k近邻的故障检测策略(SD–kNN).首先在标准距离度量下计算样本与其前k近邻的距离;其次将近邻距离的平方和的均值作为样本的统计量D~2;最后,根据D~2的分布确定检测方法的控制限,当新样本的D~2大于控制限时,判定其为故障,否则为正常.标准距离使不同模态中样本间的近邻距离能够在同一尺度下度量,使得SD–kNN的D~2能够准确反映样本间的相似程度.进行了数值模拟过程和青霉素发酵过程故障检测实验. SD–kNN方法检测出了数值模拟过程的全部故障和青霉素过程95%以上的故障,相对于PCA, kPCA, FD–kNN等方法具有更高的故障检测率. SD–kNN继承了FD–kNN对一般多模态过程的故障检测能力,还能够对方差差异显著的多模态过程进行故障检测.     

基于PC-wkNN的多工况间歇过程故障检测方法研究*

针对多工况间歇生产过程中,过程数据维数高、中心漂移和方差差异明显等特点,提出了基于主元分析和加权k近邻相结合的故障检测方法(PC-wkNN)。首先应用PCA确定训练数据主元模型,简约数据结构;其次在主元空间以训练样本的第k近邻的局部近邻平均距离倒数为权重,构建加权距离D.加权距离D可以有效降低工况中心漂移和方差差异明显的影响。最后,根据t分布确定统计量D的控制限,当测试样本加权距离D大于控制限,则其为故障;否则为正常。PC-wkNN提高了工况间歇过程故障检测率。通过两个模拟实例及青霉素发酵仿真实验,与PCA,KPCA,FD-kNN,PC-kNN等方法比较,验证了本文方法的有效性。     

基于局部近邻标准化和动态主元分析的故障检测策略

针对工业过程的动态和多模态特性,提出一种基于局部近邻标准化（LNS）和动态主元分析（DPCA）相结合的故障检测方法（LNS-DPCA）。首先,在训练数据集中寻找样本的K近邻集;然后,应用K近邻集的均值与标准差对当前样本进行标准化处理;最后,在新的数据集中应用DPCA方法确定T²和SPE控制限进行故障检测。LNS方法能够消除过程的多模态特征,使得标准化后数据近似服从多元高斯分布,且保持过程离群点偏离正常样本轨迹;而结合DPCA方法则能够提高对具有动态特性过程的监视性能。利用数值例子和青霉素发酵过程进行仿真,并将测试结果与主元分析法（PCA）、DPCA、K近邻故障检测（FD-KNN）等方法进行对比分析,验证了LNS-DPCA方法的有效性。     

基于改进近邻标准化主多项式的故障检测研究

针对过程数据的多模态和非线性的特征,提出了改进的局部近邻标准化和PPA结合的过程故障检测方法.首先寻找每个样本的第一近邻样本,再寻找第一近邻样本的局部前k近邻集,用近邻集的均值和标准差进行数据标准化,最后使用主多项式分析(PPA)对标准化处理后的数据建模,计算T2和SPE统计量,并确定控制限进行故障检测.主多项式分析使...     

基于密度标准误差的局部保持投影故障检测策略

针对协方差结构具有显著差异的多模态过程故障检测问题,本文提出一种基于密度标准误差的局部保持投影故障检测策略(LPP-DSE).首先,根据样本距离矩阵确定样本截止距离;接下来,应用截止距离计算每个样本的本质密度及其前k近邻样本的估计密度;最后,通过样本的密度误差及其k近邻密度的标准差构建统计量并完成过程监控.本文方法通过应用局部保持投影(LPP)对过程数据进行维数约减可以保证过程监控的及时性;同时,通过设计密度标准误差(DSE)统计量可以有效提高多模态过程的故障检测率.此外,本文给出基于贡献图的诊断方法能够准确识别故障发生的原因.通过数值例子和半导体工业实例测试,并与主元分析、邻域保持嵌入、局部保持投影、k近邻故障检测等方法比较,实验结果进一步验证了LPP-DSE方法的有效性.     

基于判别核主元空间k近邻的批次过程监视

针对批次过程非线性、多模态等特征,提出一种基于判别核主元k近邻（Dis-kPCkNN）的故障检测方法。首先,在核主元分析（kPCA）中,高斯核的窗宽参数依据样本类别标签在类内窗宽和类间窗宽中判别选取,使得核矩阵能有效提取数据的关联特征,保持数据的类别信息;其次,在核主元空间中引用k近邻规则代替传统的T²统计方法,k近邻规则可以有效处理主元空间非线性和多模态等特征的故障检测问题。数值模拟实例和半导体蚀刻工艺过程仿真实验表明:基于判别核主元k近邻方法可以有效地处理具有非线性和多模态结构特征的故障检测问题,提高计算的效率,减少内存的占用,并且故障检测率明显优于传统方法。     

基于反k近邻的流数据离群点挖掘算法

基于局部离群因子的增量挖掘算法需要多次扫描数据集。反k近邻适用于度量离群程度,根据该性质提出基于反k近邻的流数据离群点挖掘算法（SOMRNN）。采用滑动窗口模型更新当前窗口,仅须进行一次扫描,提高了算法效率。通过查询过程实现在任意指定时刻对当前窗口进行整体查询,及时捕捉数据流概念漂移现象。实验结果证明,SOMRNN具有适用性和有效性。     

基于混合动态主元分析的故障检测方法

针对基于动态主元分析的故障检测方法存在的主元个数较多以及计算效率低等问题,本文提出基于混合动态主元分析(Hybrid Dynamic Principal Component Analysis,HDP-CA)的复杂过程故障检测方法。该方法采用分步策略消除数据之间的自相关和互相关性,提高了故障检测的精度和效率。对TE过程典型故障和热连轧过程中断带故障检测结果表明:HDPCA方法提取的主元个数少于DPCA方法提取的主元个数。并且,基于HDPCA的T2和SPE统计量的检测性能和检测精度都由于基于DPCA的统计量。因此,本文提出的方法可以准确有效地检测出故障。     

一种改进的基于反k近邻的流数据离群点检测算法

现有反k邻域的流数据离群点挖掘算法存在一些不足之处,即需要遍历每个数据对象,计算复杂度较高,稳定性较差。为了解决这些问题,本文提出一种改进的基于反k近邻的离群点检测算法OL-ORND。该算法采用细胞邻域思想,加入伪反k邻域点概念（反k邻域为空集的点对象）,增加了算法的严密性,从而大大提高了算法的效率和准确率。实验表明,算法具有较好的性能。     

基于最近邻相似度的孤立点检测及半监督聚类算法

传统的聚类算法是一种无监督的学习过程,聚类的精度受到相似性度量方式以及数据集中孤立点的影响,并且算法也没有很好的利用先验知识,无法体现用户的需求。因此提出了基于共享最近邻的孤立点检测及半监督聚类算法。该算法采用共享最近邻为相似度,根据数据点的最近邻居数目来判断是否为孤立点,并在删除孤立点的数据集上进行半监督聚类。在半监督聚类过程中加入了经过扩展的先验知识,同时根据图形分割原理对数据集进行聚类。文中使用真实的数据集进行仿真,其仿真结果表明,本文所提出的算法能有效的检测出孤立点,并具有很好的聚类效果。     

动态局部邻域主多项式分析故障检测研究

针对复杂工业过程中存在的动态性、多模态及非线性等特征,提出一种动态局部邻域主多项式分析(DNSPPA)的故障检测算法。首先,设置一定长度的时间窗来描述样本点之间的时序相关关系;其次,寻找时间窗内样本在空间方向上的局部近邻集,利用近邻集对数据样本进行标准化处理;最后,在标准化处理后的数据上建立PPA模型,计算统计量并确立控制限进行故障检测。DNSPPA方法能解决复杂工业过程中的动态时序问题和多模态数据中心漂移的问题,从而降低多模态结构对PPA检测性能的影响。使用具有动态特征的多模态非线性数值例子和青霉素数据对DNSPPA方法进行仿真测试,并与主元分析法(PCA)、主多项式分析法(PPA)进行对比,仿真结果表明,DNSPPA方法能更加及时地检测到故障,且故障检测率较高。     

基于共享近邻和优化关联策略的边界剥离聚类

边界剥离聚类算法(BP)是一种基于密度的聚类算法,它通过逐渐剥离边界点来揭示聚类的潜在核心,已经被证明是一种十分有效的聚类手段.然而, BP算法仍存在一些不足之处:一方面,数据点的局部密度仅考虑了距离特征,使得边界点的确定不够合理;另一方面, BP算法中的关联策略容易误判异常值,并且在分配边界点时容易产生连带错误.为此,本文提出了一种基于共享近邻和优化关联策略的边界剥离聚类算法(SOBP).该算法使用了基于共享近邻的局部密度函数来更好地探索数据点之间的相似性,同时优化了BP算法中的关联策略,使得每次迭代中边界点不再仅与一个非边界点进行关联,并进一步采用了边界点与非边界点、已剥离边界点之间的双重关联准则.在一些数据集上的测试表明,相较于其他6种经典算法,该算法在评估指标上表现更佳.     

一种基于近邻表示的聚类方法

当今社会处在信息急剧膨胀的时代,数据的规模和维度都在不断增大,传统的聚类方法有很多难以适应这一趋势.尤其是移动计算平台的高速发展,其平台自身的特性限制了算法的内存使用规模,因此,以往的很多方法若不进行改进,在这类平台上将无法运行.提出了一种基于近邻表示的聚类方法,该方法基于近邻的思想构造出新的表示形式,这种表示可以进行压缩,因此有效地减少了聚类所需要的存储开销.实现了直接对近邻表示压缩后的数据进行聚类的算法,称为Bit k-means.实验结果表明,该方法取得了较好的效果,在提高准确率的同时,大幅度降低了存储空间开销.     

基于DPCA残差互异度的故障检测与诊断方法

针对动态主元分析方法中残差自相关性降低过程故障检测率问题,提出基于动态主元分析残差互异度的故障检测与诊断方法.首先,应用动态主元分析(Dynamic principal component analysis,DPCA)计算动态过程数据的残差得分;接下来,应用滑动窗口技术并结合互异度指标(Dissimilarity)来监控过程残差得分状态;最后,利用基于变量贡献图的方法进行过程故障诊断分析.本文方法通过DPCA捕获过程的动态特征,同时互异度指标区别于传统的平方预测误差(Square prediction error,SPE),它可以有效地对具有自相关性的残差得分进行过程状态监控.通过一个数值例子和Tennessee Eastman(TE)过程的仿真实验并与传统方法对比分析,仿真结果进一步证实了本文方法的有效性.     

基于DPCA残差互异度的故障检测与诊断方法

针对动态主元分析方法中残差自相关性降低过程故障检测率问题,提出基于动态主元分析残差互异度的故障检测与诊断方法.首先,应用动态主元分析(Dynamic principal component analysis,DPCA)计算动态过程数据的残差得分;接下来,应用滑动窗口技术并结合互异度指标(Dissimilarity)来监控过程残差得分状态;最后,利用基于变量贡献图的方法进行过程故障诊断分析.本文方法通过DPCA捕获过程的动态特征,同时互异度指标区别于传统的平方预测误差(Square prediction error,SPE),它可以有效地对具有自相关性的残差得分进行过程状态监控.通过一个数值例子和Tennessee Eastman(TE)过程的仿真实验并与传统方法对比分析,仿真结果进一步证实了本文方法的有效性.     

基于改进核主元和支持向量数据描述故障检测

提出基于改进核主元和支持向量数据描述(SVDD)故障检测方法,适合于复杂工业过程具有非线性和非高斯性的情况.首先,通过对核主元(KPCA)特征空间样本进行重构误差,在样本集上自动识别异常值,减少对KPCA算法的影响并增强非线性核映射.然后,利用支持向量数据描述算法处理数据非高斯信号,据此构建统计量对工业过程进行检测.最后,将所提出的改进核主元和支持向量数据描述方法应用于田纳西-伊斯曼(TE,Tennessee Eastman)过程的仿真实验,结果说明提出方法的有效性.